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【物理学的足迹】1827年 发现布朗运动 精选

已有 13065 次阅读 2016-1-18 15:24 |个人分类:物理学的足迹|系统分类:科普集锦| 物理, 爱因斯坦, 布朗运动, 物理学史

节选自“改变世界的科学”丛书之《物理学的足迹》

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常言道:“生命不息,运动不止。”生命在于运动,其含义不仅仅是指维持健康的生命需要不断地运动,还从另一方面体现生命的典型特征——运动。大到世界上最大的动物——蓝鲸,小到世界上最小的细菌,它们都是在不断地运动着。那么,对于没有生命的物体而言,它是否也在运动?从哲学层面来说,万物都在无时不刻地运动着;从物理学角度来看,自然界生物和没有生命的物体也都在做相对运动。在微观世界里,人们无法用肉眼直接看见原子或分子,它们是否在运动呢?

   

图1.布朗和布朗运动

1827年,一名英国植物学家布朗告诉了我们微观世界运动的奥秘。本来布朗是准备用显微镜观察微生物的活动特征,然而他发现水中悬浮的花粉颗粒,似乎也在不停地运动。起初布朗还以为花粉是有生命的个体,所以在水中“游动”。当他把水换成酒精,又把花粉晒干,折腾数次后希望能够彻底“杀死”花粉,仍然发现液体中的花粉颗粒还是在不停的运动,换做其他无机小颗粒,也是“运动不止”。有意思的是,他把颗粒运动的轨迹给记录下来,这些轨迹简直是一团糟乱的线——毫无规则可言,而且温度越高则运动越剧烈,显然,这并不是生命体的运动方式。作为科学家,1828年布朗把花粉颗粒的运动写出了论文,描述道:“在经过多次重复的观察以后,我确信这些运动既不是由于液体的流动,也不是由于液体的逐渐蒸发所引起的,而是属于(花粉)粒子本身的运动。”后来人们把这种微小颗粒的无规则运动称作“布朗运动”。


图2.布朗运动轨迹

布朗运动发现后的50余年里,科学家一直没有很好地理解其中奥秘。直到原子和分子的概念广泛被人们所接受之后,才有人指出,布朗运动其实是花粉颗粒受水分子的不均匀撞击所致。因为液体是由大量分子组成的,微观状态下的分子会不停地做无规则热运动,从而不断撞击悬浮颗粒,当悬浮颗粒足够小时,它受到的液体分子撞击将不能达到平衡而驱使颗粒朝某个方向运动,由于分子热运动是无规则的,故反映到颗粒的运动也是无规则的,温度越高使得热运动越剧烈,颗粒度越大则颗粒受到的撞击更容易达到平衡。因此,布朗运动实际上间接反映了分子热运动现象,也是原子分子存在的间接证据。

图1.布朗运动微观解释

布朗运动定性上可以用分子热运动来解释,不过许多人其实一直对分子和原子是否存在仍持怀疑态度。直到1905年,科学伟人爱因斯坦在他的博士论文中首次对布朗运动给出了定量的理论解释。爱因斯坦还从理论上给出了分子热运动的统计力学模型,并预言只要精确测定颗粒在液体中的扩散速度就可以给出阿伏伽德罗常数值。阿伏伽德罗常数是化学中的一个重要参数,是沟通微观世界和宏观世界的桥梁,它表示在零摄氏度、一个标准大气压下,同体积的任何气体都含有的分子数目。含有阿伏伽德罗常数个分子的物质的量称为1摩尔,比如1摩尔水的质量是18克,大致是宏观物体的常见质量。1908年,佩兰依据爱因斯坦的理论,通过实验精确测定了阿伏伽德罗常数,并且实验的可重复性非常高。从此,人们彻底接受了原子和分子的概念。


【丛书简介】

“改变世界的科学”丛书是针对青少年编著的一套大型科普图书,含数学、物理学、化学、天文学、地学、生物学、医学、农学、计算机科学等9个分册,以编年体的形式呈现,图文并茂地叙说人类历史上20 000年来最重大的科学发现。本丛书为上海市“十二五”重点图书。

丛书各分册均按照时间顺序来回顾、概括人类的科学活动,以科学发现的历史为主,兼及科学机构的兴衰、科学教育的发展、科学社团的变迁等。丛书通俗易懂,对于青少年了解科学知识、领悟科学方法、弘扬科学精神,乃至对于提高国民的整体科学文化素养,都将起到积极的促进作用。




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